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1、焊接冶金学基本原理,第6章 焊接热影响区,目录,引言,焊接过程中母材因受焊接热的影响(但未熔化),而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)。焊缝、热影响区和母材构成焊接接头。图6-1所示为焊接接头的宏观组织和热影响区示意图。由于距焊缝远近不同的各部位所经历的焊接热过程不同,其组织性能差异就较大。焊接热影响区是焊接接头的薄弱环节。,6.1 焊接热循环,焊接热循环是在焊接热源的作用下,焊件上某点的温度T随时间t变化的过程。这是一个升温,然后降温的过程。焊接热循环曲线如图6-2所示的T-t曲线,可用函数T=f(t)表示。焊接热循环与热处理的热过程
2、相比,具有加热速度快、加热的峰值温度高、在某一温度的保温时间又非常短的重要特征。焊接热循环是表征焊接热源对母材金属的热作用和焊接热影响区组织性能的重要数据。,6.1 焊接热循环,图6-2 焊接热循环曲线示意图及参数,6.1 焊接热循环,1. 焊接热循环的主要参数 1.加热速度 (H) 焊接时的加热速度比热处理条件下快得多,它直接影响奥氏体的均质化和碳化物的溶解过程。因此,也会影响冷却时的组织转变和性能。 加热速度的影响因素主要有焊接方法、焊接热输入,以及母材的板厚、几何尺寸、热物理性质等。低合金钢几种常用焊接方法的加热速度有关数据参见表6-1。表6-1中所列的加热速度是900时的加热速度,这是
3、由于实际焊接过程中,随着电弧的移动及热量向焊件内的传导,每瞬时的加热速度并不完全相同,一般比较关注的是接近和高于相变点的加热速度。,6.1 焊接热循环,1. 焊接热循环的主要参数 2. 加热的最高温度(Tm) 加热的最高温度又称峰值温度,是热循环的重要参数之一。加热的最高温度对于焊接热影响区金属的晶粒长大、相变组织以及碳氮化合物溶解等有很大影响,同时也决定着焊件产生内应力的大小和接头中塑性变形区的范围。焊接时焊缝两侧热影响区加热的最高温度不同,冷却速度不同,就会有不同的组织和性能。例如在熔合区附近的过热段,由于温度高,晶粒发生严重的长大,从而使韧性下降。低碳钢和低合金钢熔合区的温度可达1300
4、1350。,6.1 焊接热循环,1. 焊接热循环的主要参数 4. 冷却速度(c)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100) 冷却速度是决定热影响区组织性能的主要参数。应当指出,焊接的冷却过程在不同阶段的冷却速度是不同的,某一温度下的瞬时冷却速度可用热循环曲线上该点切线的斜率表示。对于低合金钢,在连续冷却条件下,由于在540左右组织转变最快,因此,常用熔合线附近540的瞬时冷却速度作为冷却过程的评价指标(见图6-2中的C点)。为了方便,也可采用一定温度范围内的平均冷却速度。,6.1 焊接热循环,1. 焊接热循环的主要参数 3. 高温停留时间(tH) 高温停留时间对于扩散均质化及晶粒的长大、相的溶
5、解或析出影响很大,对于某些活泼金属,高温停留时间还将影响焊接接头对周围气体介质的吸收或相互作用的程度。对于低合金高强钢,高温停留时间越长,越有利于奥氏体的均质化过程,但温度太高时(如1100以上),即使停留时间不长,也会引起奥氏体晶粒的严重长大。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 热像法的技术关键有二:一是如何将所获得的图像进行温度定标;二是将计算机输出的图像进行伪着色处理,使得每种颜色代表一个温度区间。采用该方法可以获得直观、清晰的温度场彩色图像,它不仅可以定性分析各种焊接条件下温度场的不同模式,而且还可以定量地获得各点温度值及其热循环。 热像法测定焊接热循环是很有前
6、途的测温方法。但由于所需测量设备比较昂贵,在处理温度场速度等方面还存在一些问题,目前大量使用的仍是热电偶测量法。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 1. 最高温度Tm(峰值温度)的计算 根据焊接传热理论,焊件上某点的温度T随时间t的变化可用式(6-1)和式(6-2)表示。 厚大焊件(点热源): 薄板(线热源):,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 当 时,即可求得最高温度Tm: 点热源: 线热源: 由式(6-3)和式(6-4)可以看出,焊接热输入E越大,加热的最高温度越高;计算点离热源运行轴线的距离越远,加热的最高温度越低;焊接厚板时,加热的最高温
7、度与板厚无关,而焊接薄板时,加热的最高温度与板厚成反比。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 以上是根据传热学理论,结合焊接条件推导出的焊接热循环曲线最高温度Tm的数学式。由于焊接传热理论的一些假设条件与焊接的实际情况有较大的差异,故在准确性方面还有不足之处。如果考虑金属的熔点,根据焊接传热理论的推导,可建立如下经验公式:,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 最高温度计算公式可有如下几种应用: 确定热影响区特定部位的峰值温度; 估计热影响区的宽度; 计算出预热对热影响区宽度的影响。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 2. 高温
8、停留时间tH的计算 tH是个复杂的函数,计算十分繁琐。因此,常采用计算与查表相结合的方法求解。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 3. 瞬时冷却速度c的计算 焊缝或热影响区的某点达到最高温度后,随后的冷却速度对金属组织、性能等都有很大影响,尤其是对于热处理钢更为重要。由于熔合区是焊接接头的薄弱部位,因此,此处着重研究熔合区的冷却速度。 试验证明,焊缝和熔合区的冷却速度几乎相同,最大差5%10%。因此,为方便起见,可用焊缝的冷却速度代替熔合区的冷却速度。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 3. 瞬时冷却速度c的计算 根据式(6-1)及式(6-2),
9、令r0=0,y0=0,并由 确定出焊缝及熔合区冷至某一温度Tc时的瞬时冷却速度。 式中 Tc所求冷却速度的瞬时温度(); T0 焊件的初始温度(或预热温度)()。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 3. 瞬时冷却速度c的计算 对于厚大焊件和薄板的区别要做些解释。当传热方向为垂直焊缝所在平面,向下的传热方向(即z向)和水平方向(即x、y方向)三维传播时,使用厚大焊件公式。任何一种单道全熔透焊接(或热切割),可采用薄板公式。公式的选用主要根据热的传播方式确定,不能单靠板厚确定,如300mm厚的钢板采用电渣焊时,采用薄板公式计算冷却速度较为合理,因为这种工艺是单道全熔透。,6
10、.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 3. 瞬时冷却速度c的计算 除了一些特殊的焊接工艺(如电渣焊、气电立焊等),一般情况下,可以通过临界厚度cr确定采用的计算公式。临界厚度是对冷却速度没有影响的最小厚度,cr的表达式为: 当cr时,采用厚大焊件公式;当cr时,采用薄板计算公式。 对于低碳钢和低合金钢,在焊条电弧焊条件下,根据经验,厚度为25mm以上的属于厚大焊件,厚度小于8mm的则属于薄板。如焊件厚度在825mm之间,求某点的冷却速度时,应将式(6-9)乘以修正系数K后得到中厚板的瞬时冷却速度。,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 4.冷却时间的计算
11、(1)理论公式 根据焊接传热学理论的推导,t8/5的计算公式如下: 对于三维传热(厚板): 对于二维传热(薄板):,6.1 焊接热循环,2. 焊接热循环主要参数的测试与计算 4.冷却时间的计算 式中 焊接热效率; E焊接热输入(J/cm), ; U电弧电压(V); I焊接电流(A); v焊接速度(cm/s); 板厚(cm); T0预热温度或初始环境温度(); 热导率W/(cm); c体积比热容J/(cm3)。,6.1 焊接热循环,3. 多层焊热循环 1.长段多层焊焊接热循环 长段多层焊就是每道焊缝的长度较长(一般在1m以上),这样在焊完第一层再焊第二层时,第一层已基本上冷却到较低的温度(一般多
12、在100200以下),其焊接热循环如图6-11所示。 由图6-11可以看出,长段多层焊热循环的特点是,每层焊道高温停留时间短,晶粒不容易长大。因此,适宜焊接易过热的钢种。但由于冷却速度大,层间温度低,不适于焊接淬硬倾向较大的钢种。因为这类钢在焊完第一层以后,焊接第二层以前,焊缝及热影响区有可能由于淬硬而产生冷裂纹。在这种情况下,应注意配合采取焊前预热、控制层间温度,以及焊后热处理或缓冷等措施。,6.1 焊接热循环,3. 多层焊热循环 1.长段多层焊焊接热循环,图6-11 长段多层焊焊接热循环 a)焊接各层时,热影响区1、2、3点的热循环 b)各层焊缝断面示意图,6.1 焊接热循环,3. 多层焊
13、热循环 2.短段多层焊焊接热循环 由此可见,短段多层焊对焊缝和热影响区组织都有一定的改善作用,适于焊接易过热又易淬硬的钢材。当采用短段多层焊时,关键是控制好焊道长度。焊道过短易产生过热,使奥氏体晶粒长大。焊道过长,又会失去短段多层焊的特点。因此,只要控制好焊道长度,就能达到改善焊缝和热影响区质量的目的。,6.1 焊接热循环,3. 多层焊热循环 2.短段多层焊焊接热循环 由此可见,短段多层焊对焊缝和热影响区组织都有一定的改善作用,适于焊接易过热又易淬硬的钢材。当采用短段多层焊时,关键是控制好焊道长度。焊道过短易产生过热,使奥氏体晶粒长大。焊道过长,又会失去短段多层焊的特点。因此,只要控制好焊道长
14、度,就能达到改善焊缝和热影响区质量的目的。,6.1 焊接热循环,3. 多层焊热循环 2.短段多层焊焊接热循环,6.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,(1)加热温度高 (2)加热速度快 (3)高温停留时间短 (4)自然条件下连续冷却 (5)局部加热,6.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,1. 焊接加热过程中的组织转变 1. 相变温度提高 大量的试验结果表明,加热速度越快,母材相变点Ac1和Ac3的温度越高,而且Ac1和Ac3之间的温差越大,如图6-13和表6-8所示,这种现象可由金属学原理得到解释。加热时珠光体向奥氏体的转变和铁素体向奥氏体的溶解过程均属于扩散性转变,转变时形成晶核需
15、要孕育期。在焊接快速加热的条件下,还没达到扩散过程所需的孕育期,温度就已经提高了。,6.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,1. 焊接加热过程中的组织转变 1. 相变温度提高,图6-13 焊接加热速度对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响 a) 45钢 (H:11400/s,2270/s,335/s,47.5/s) b) 40Cr钢(H:11600/s,2300/s,3150/s,442/s,57.2/s) d晶粒的平均直径 A奥氏体 P珠光体 F铁素体 K碳化物,6.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,1. 焊接加热过程中的组织转变 2. 奥氏体的均质化程度低 刚刚转变完了形成的奥氏体,其
16、成分是不均匀的,原来为渗碳体的区域含碳量高,而原来为铁素体的区域含碳量低,甚至还有残留的碳化物质点。如在Ac3以上的停留时间长,则成分扩散均匀化,使奥氏体的成分趋于一致。 焊接的加热速度快,在Ac3以上的停留时间短,合金元素来不及完成扩散均匀化,所以奥氏体的均质化程度低,甚至残留碳化物,这对冷却时的相变有明显的影响。特别是钢中含有碳化物形成元素时,影响更为显著。,6.2 焊接热循环条件下的金属组织转变特点,1. 焊接加热过程中的组织转变 3. 焊接热影响区奥氏体晶粒的长大 焊接热影响区晶粒的粗大对韧性极为不利。奥氏体晶粒的长大实质上是大晶粒吞并小晶粒的晶格改建过程,是自动进行的。进行这一过程需要原子的扩散,温度越高,原子的扩散能力越强,奥氏体晶粒的长大速度越快。 恒温加热时的晶粒
